476'da Batı Roma'nın yıkılmasından sonra Doğu Roma İmparatorluğu, Bizans İmparatorluğu'na dönüşmüş ve İstanbul da, bu yeni imparatorluğun başkenti haline gelmiştir.
6. yüzyılın ortaları, Bizans İmparatorluğu ve İstanbul için yeni bir yükseliş döneminin başlangıcıdır. İmparator I. Jüstinyen yönetimindeki bu dönemde daha önce tahrip edilmiş olan Ayasofya bugünkü haliyle yeniden inşa edilmiş, 543'lerde kentte görülen ve nüfusun yarısının ölümüne sebep olan veba salgınının izleri silinmiştir.
7, 8 ve 9. Yüzyıllar İstanbul için kuşatılma yılları oldu. Yedinci yüzyılda Sasaniler ve Avarlar'ın saldırısına uğrayan kenti, sekizinci yüzyılda Bulgarlar ve Müslüman Araplar dokuzuncu yüzyılda ise Ruslar ve Bulgarlar kuşattılar.